5i7~¢~
PA~TON~R~ A DECHARGE COURONNE IMPULSIONNELLE INTER-. ~
MIT L ENT~
La pr~sente invention concerne un para-tonnerre ~ décharge couronne.
Le EP-A-0 060 756 décrit un -tel type de para-tonnerre, qui comprend une pointe isolée de la terre, ~
laquelle elle est reliée à sa base par des moyens écla-teurs, cette pointe étant reliée électriquement à un générateur de tension continue positive, assez élevée pour produire une ionisation de l'atmosphère ambiante à son extrémité (décharge couronne).
La zone de plasma d'air ionisé ainsi formée à l'extrémité de la pointe possqde une conduc-tivité
électrique très supérieure à celle de l'air ambiant, si bien qu'elle favorise la décharge de la foudre vers la pointe, améliorant ainsi l'efficacité et le rayon d'action du paratonnerre.
Par contre, cette augmentation de conductivité
au voisinage de la pointe a pour effet de réduire locale-ment le champ électrique et, ce faisant, de jouer un rôle inhibiteur sur le développement des aigrettes lu-mineuses, caractéristiques de la décharge couronne dansle cas d'une pointe portée à un potentiel positif, qui peuvent constituer un élément favorable à l'efficacité
du paratonnerre.
De plus, ce dispositif ne peut jouer son rôle que dans le cas de nuages négatifs (coups de foudre de type négatif), ce qui répond ~ environ 90 % des cas ;-~
~' ~
57~
dans les pays européens et même plus lorsque l'on seplace hors des régions montagneuses.
Pour répondre ~ ces ob~ectifs, l'invention propose un paratonnerre tel que la décharge couronne ne soit pas produite de manière continue, mais de manière intermittente de sorte que, lors de la surve-nance d'une déchar~e, il ne subsiste plus en quantité
notable au voisinage de la pointe de charges rési-duelles des décharges antérieures ; le potentiel appliqué pourra être de l'une et/ou l'autre polarité, selon les besoins.
A cet effet, le paratonnerre de l'invention est caractérisé en ce qu'il comporte des moyens aptes ~ abaisser p~riodiquement le potentiel de la pointe à une valeur insuffisante pour le maintien de la d~-charge couronne, de manière ~ produire des décharges couronne intermittentes et périodiques.
De la sorte, cette onde (ou cette première alternance dans le cas d'un train d'ondes) va produire une impulsion de courant qui va s'éteindre très rapide-ment, puisque le potentiel de la pointe, qui redescend en dessous du seuil, ne permet pas le maintien de la décharge. Ce phénomène transitoire très bref va per-mettre l'émission de courants instantanés maxima et la production d'autres phénomènes favorables ("streamer", électron-germes,....~ assurant une efficacité maximale au paratonnerre.
Très avantageusement, la fréquence de récur-rence des décharges intermittentes est au moins égale ~ 20 Hz.
On constate en effet que, dans ce cas, la ; ne aigrette produite ~ partir de la pointe polarisée ~;~45~
positivement roeprend le même canal spatial que la n-1e, ce ph~nomène dit de "mémoire de canal" allant croissant au fur et ~ mesure que la fréquence augmente.
Ce phénomène transitoire a no~amment ét~
étudié par G. BERGER dans ses articles : "Influence o~
an electrical discharge on the development of a sub-sequent discharge in a positive point-to-plane gap"
(Second International Conference on Gas Discharges, I.E.E. Publication nr. 90, LONDON 1972) et "Influence of a Corona discharge on the subsequent one in atmos-pheric air" IThird International Conference on Gas Discharges, I.E.E. Publication nr. 118, LONDON 1974) et par G. HARTMANN et I. GALLIMBERTI dans leur article "The influence of metastable molecules on streamer progression" (J.PHYS. D., ~, 1975, P. 670-630).
Tras avantageusement également~ la ~réquence de récurrence des d~charges intermittentes est au plus égale à 2000 Hz.
On constate en effet que, pour des fréquences supérieures ~ quelques kHZ, le surcroit d'efficacité du paratonnerre va decroissant, en se rapprochant de plus en plus de celle d'un paratonnerre produisant une dé-charge couronne continue.
De préférence, la durée pendant laquelle le ~5 potentiel de la pointe est supérieur au seuil de tension produisant l'effet couronne est au moins égale à 1 ~s et au plus égale à 100 ~s; cette gamme de valeurs permet d'obtenir une décharge couronne avec une quasi-certi-tude, palliant toutes les fluctuations des paramatres aléatoires susceptibles d'empêcher llapparition de l'effet couronne.
De préférence, l'amplitude crête du potentiel de la pointe est au moins ~gale ~ 110 ~ du seuil de 57~
tension produisant l'effet couronne.
On se place ainsi juste au-dessus du seuil, accroiss~nt d'autant le caract~re transitoire du phé-nomène de décharge, ce qui favorise l1obtention de courants instantanés maxima dans tous les cas. (Ici et dans La suite, on considère que le seuil en ques-tion est le même quel que soit la polarité, négative ou positive, ce qui correspond ~én~ralement aux valèurs rencontrées dans la pratique. Si toutefois les seuils respectifs présentaient,en valeur absoluer une diffé-rence importante, on procèderait aux ajustements né-cessaires pour que les conditions énonc~es restent remplies, sans pour autant sortir du cadre de la pré-sente invention).
Une première possibilité consiste ~ relier électriquement la pointe à des moyens générateurs de courant aptes ~ produire des ondes récurrentes de courant, déchargées dans l'atmosphère environnant la pointe, de manière à produlre des décharges couronne intermittentes avec la m~me fréquence de récurrence.
Une autre possibilité consiste ~ relier électriquement la pointe à des moyens générateurs de potentiel, tels que le potentiel appliqué ~ la pointe par les moyens générateurs soit un potentiel variable, en forme d'ondes récurrentes ou de trains d'ondes ré-currents, et tels que, compte tenu éventuellement de l'amplification naturelle procurée par le champ ~lec-trique ambiant existant en cas d'ora~e, 1'amplitude crete de l'onde ou de la première demi-alternance du train ayant une polarité opposée ~ celle de l'atmos-phère ambiante soit, en valeur absolue, sup~rieure au seuil de tension produisant l'effet couronne.
Dans ce cas, le potentiel appliqu~ ~ la pointe peut 8tre tel que, quelle que soit l'amplifi-~5~
cation naturelle éventuellement procurée par le champ électrique ambiant, l'amplitude crête de l'onde ou de la première alternance du train ayant une polarlté oppo-sée à celle de l'atmosphère ambiante est toujours, en valeur absolue, supérieure au seuil de ten5ion produi-sant l'e~fet couronne.
Par ailleurs, dans le cas d'un train d'ondes, les amplitudes crête de toutes les demi-alternances subsé~uentes de m8me polarit~ que le nuage sont, en valeur absolue, avantageusement inférieures audit seuil.
Dans un premier mode de réalisation, les moyens générateurs produisent des trains d'ondes alter-natives amorties, et la valeur absolue de l'amplitude crête des deux premières demi-alternances est supérieure au seuil de tension produisant l'effet couronne, de manière à toujours produire cet effet quelle que soit la polarité de l'atmosphère ambiante.
Dans un second mode de réalisation, les moyens g~nérateurs produisent des dents de scie ou des trains de dents de scie sans passage par zéro, de pclarité
positive.
En particulier, les moyens générateurs com-portent dans ce cas un circuit de type RLC ou RC, relié
d'une part ~ la pointe et d'autre part à un générateur de potentiel élevé ; la résistance R peut notamment être une résistance interposée entre la pointe et le g~nérateur, et la capacité C 8tre constituée par la capacité répartie parasite du paratonnerre entre sa pointe et la terre.
Par ailleurs, la présence de la résistance, outre sa participation à la production des variations 571q~
périodiques de hau-te tension ~ 1~ pointe du paraton-nerre, va d'une part limiter la consommation et augmenter l'autonomie du générateur de potentiel, et d'autre part le protéger contre les coups de foudre en dérivant le courant de décharge de la foudre vers l'éclateur, d'autant plus efficacement que sa valeur sera plus éle-vée.
Par ailleurs, (lu fait que le potentiel de la pointe ne repasse pas par zé:ro (il suffit qu'il redes-cende très rapidement au-dessous du seuil d'extinction du phénom~ne couronne), la tension résiduelle va assurer le drainage des ions après extinction de la décharge ;
la fréquence de fonctionnement du paratonnerre pourra alors etre corrélativement augment~e.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront à la lecture de la description détaillée ci-dessous, faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels :
. la figure 1 montre les variations de tension et de courant dans la pointe, dans le cas où celle-ci est soumise à un potentiel en forme de trainsd'ondes alternatives amorties, . la figure 2 est une variante de la figure 1, dans le cas o~ l'on utilise l'amplification naturelle procurée par le milieu ambiant, . la figure 3 illustre le cas dans lequel le potentiel appliqué à la pointe est un potentiel en forme de dents de scie sans passage par zéro, . les figures 4 ~ 6 illustrent schématiquement diff~rents circuits permettant d'obtenir les effets enseignés par l'invention, . les figures 7 et 8 montrent le schéma ~lec-~Z~S7~ ~
trique et une disposition des élémen-ts, pour un exemple de réalisation dans lequel la pointe est soumise ~ un potentiel variable en dents de scie.
La figure 1 se rapporte au mode de réalisa-5 tion dans lequel la pointe est soumise à un potentielvariable en forme de trains d'ondes alternatives amor-ties.
Les courbes de tens:ion et de courant corres-pondent auxparamètres suivants :
- V : tension pré~ente sur la pointe en l'absence de champ électrique ambiant (cette tension étant donc égale au potentiel fourni à la pointe par le générateur), ~ V1 : potentiel de la pointe compte tenu de l'ampli-fication procurée par le champ électrique am-biant existant en cas d'orage ; on se place dans l'hypothèse d'un nuage négatif, par exemple ;
cor~e on peut le constater, la demi-alte ~ nce positive va se trouver amplifiée, tandis que la demi-alternance n~gative va se trouver atténuée, ~ Io : courant parcourant la pointe (et donc courant déchargé dans l'atmosphère ambiante) en l'ab-sence de champ électrique ambiant ; on remarque que, chaque fois que le potentiel VO de la pointe dépasse, en valeur absolue, le seuil d'apparition de la décharge couronne (ici, indi-qué par exemple ~ 13 kV), une brusque décharge de courant, positif ou négatif selon le poten-tiel de-la pointe, est produite.
I1 : courant parcourant la pointe, compte tenu de l'amplification procurée par le champ électrique ar.~ m (~uage n_gatif dans cet ex~le) : on constate que lapremièreimPUlsion~ positive, est amplifiee, 7~
tandis que la seconde impulsion, ~ui était négative, a pratiquement dispa^u, puisque la valeur cr8te de la premi~re demi-alternance né-gative se trouve désormais au-dessous du seuil de tension.
La pérjodicité des trains d'ondes est comprise entre 0,5 et 50 ms~ ce qui correspond à une ~r~uence de récurrence comprise entre 20 et 2000 Hz.
~'amplitude crête de la première demi-alternance positive et de la première demi-alternance négative sont choisies de manière à se trouver, en l'absence de champ électrique ambiant, très légèrement au-dessus du seuil de tension produisant la d~charge, les autres demi-alternances du train d'ondes ayant une amplitude toujours inférieure à ce seuil. Ainsi, on n'obtiendra qu'une seule impulsion de courant efficace par train d'ondes, la premi~re impulsion négative (dans l'exemple j se trouvant étouff~e dès qu'un champ ~lectrique ambiant appara~t ; le point im-portant étant de m~nager une durée T suffisante pourque le'~atelas" de charges accumulées au voisinage de la pointe puisse se dissiper.
Sur la figure, le potentiel V1 de la pointe dépasse, au cours de la première demi-alternance posi-tive, le seuil d'apparition de l'effet couronne pendantune durée d'environ 5 ~s, la tension crête atteinte étant d'environ 15 kV. Cette durée très courte permet de conserver ~ l'impulsion de courant son caractère transitoire qui, comme on l'a indiqu~ plus haut, est un facteur important de performance du paratonnerre.
La figure 2 illustre une variante de la figure 1, dans laguelle le potentiel V' en l'absence de champ ambiant est plus faible que dans le cas pré-~2~
cédent (ce qui est donc, du point de vue technique,plus facile ~ réaliser), mais reste en dessous du seuil d'apparition de l'effet couronne. La valeur cr8te de ce potentiel VO est choisie de telle sorte que, en présence du champ électrique ambiant existant en cas d'orage, le potentiel r~sultant V1 vienne dépasser le seuil d'apparition de l'effet couronne. On obtiendra '/alors une impulsion de courant L1~ comme dans le cas préc~dent ; on notera que le courant Io en l'absence de champ électrique ambiant est nul, puisque la décharge n'apparaît que si un champ électrique ambiant est pré-sent.
Sur la figure 3 on a illustré les courbes de tension et de courant dans le cas où le générateur produit une tension en dents de scie, sans passage par z~ro. La valeur crate de la dent de scie est choisie ~ une valeur (15 kV par exemple) légèrement supérieure au seuil de tension déclenchant l'effet couronne (13 kV dans cet exemple) de fa~on ~ produixe, con~e précédemment, de brèves impulsions de courant.
Les figures 4 à 6 illustrent des exemples de circuits pour la mise en oeuvre de l'invention.
Dans les trois cas, il est prévu ~ne pointe de paratonnerre 1, isolée de la terre et reli~e à
celle-ci par des moyens éclateurs 2, qui peuvent 8tre des moyens purement statiques (deux éléments métal-li~ues séparés par un intervalle d'air),ou dynamiques,fonctionnant comme un interrupteur commandé.
- Cette pointe est reliée ~ des moyens géné-rateurs de haute tension 3 en aval d'un système oscil-lateur 4 alimenté par une source d'énergie 5.
~L2~
Dans le cas de la figure 4, l'oscillateur 4 est u~ oscillateur de type classique, créant des signaux de la fréquence de récurrence recherchée, et le générateur de haute tens:ion 3 est un transformateur du type transformateur d'impulsions. Le dispositif d'alimentation S puise avantageusement son énergie dans le champ ~lectxique ambiant, ce qui procure au dispositif une compl~te autonomie. On r~cup~re et on transforme pour cela le courant que l'on obtient lors-qu'on plonge une pointe relativement longue dans un champ électrique tr~s grand et croissant rapidementt ce qui est le cas du champ électrique ambiant exls-tant en cas d'orage.
Dans le cas de la figure 5, le dispositif d'alimentation 5 est un panneau solaire chargeant une batterie 6, qui alimente sélectivement l'oscillateur 4 par l'intermédiaire d'un détecteur d'orage 7 em-pêchant un fonctionnement continu du syst~me en dehors des périodes ~ risques.
~0 La figure 6 correspond au mode de réalisation dans lequel une tension en dents de scie ~st produite (courbes tension et courant de la figure 3) : la struc-ture est identique à celle du dispositif de la figure 5, le transformateur d'impulsions 3 étant remplac~ par un ensemble constitué d'un transformateur haute tension et d'un redresseur 3a pour reproduire une tension con-tinue lou, tout au moins, redressée) alimentant un circuit RC 3bproduisant les dents de scie appliquées ~ la pointe du paratonnerre.
Une réalisation particulière du dispositif de la figure 6 est illustrée figure 7 ~schéma équiva-lent) et 8 (disposition des élements), cette r~alisa-tion ~tant remarquable en ce que l'on utilise la capacit~ r~partie du paratonnerre entre sa pointe et ~Z~57~L~
la terre comme él~ment constitutif du clrcuit RC.
Plus pr~cis~ment, le paratonnerre repré-sent~ comprend de mani~re connue, une pointe effilée conductrice 11 et un générateur de potentiel continu 12. Ce dernier est reli~ électriquement d'une part ~
la terre T, d'autre part ~ la pointe 11 par un cable conducteur 13. Le conducteur 13 es~ l'âme d'un cable coaxial dont le blindage, c'est-~ dire la gaine exté-rieure conductrice 14, est relié électriquement d'une part directement à la terre T, d'autre part, via un éclateur 15, à la pointe 11. La pointe et l'éclateur sont par exemple du type décrit dans le EP-A-0.060.756 précité.
Conformement à l'invention, le paratonnerre est pourvu d'une résistance de valeur ~levée, désign~e par 16, interposée sur le conducteur 13 entre le géné-rateur l2 et la pointe 11 auprès de laquelle elle est placée.
Le circuit équivalent représent~ ~ la figure 7 comprend l'~clateur de protection A, le circuit de charge B et le circuit de décharge C.
Tout d'abord, la pointe 11 est reliée au générateur de potentiel 12 par la résistance 16 de valeur R ; ~ partir d'une certaine tension présente à
la pointe, correspondant à l'apparition de l'effet couronne, ce circuit va se refermer vers la terra par l'impédance équivalente Z de l'atmosphère ambiante.
Le courant circulant alors dans cette maille corres-pond au courant cr~é au voisinage de la pointe.
La capacité en parall~le avec le générateur présent~e par le c~ble coaxial 13, 14 est de l'ordre de 50 ~ 100 pF par mètre de c~ble~ et intervient peu dans le fonctionnement ~lectrique du dispositif, en régime permanent.
~s~
L'éclateur 15 est équivalent ~ un condensa-teur en parallèle ~vec une résistance variable et une inductance montées en série. Cette branche a été repré-sentée en traits interrompus, pour mémoire, car sa fonction s'exerce seulement au moment du coup de foudre alors qu'au contraire l'arrangement qui fait l'objet de l'invention intervient avant le coup de foudre, pour, au moment voulu, favoriser la canalisation de la foudre vers le paratonnerre et augmenter le rayon d'ac-tion de celui-ci avec un maximum d'ef~icacité.
Enfin, la réf~rence 17 désigne la capacité
parasite existant entre la pointe et la masse (cette masse est en fait répartie, la fermeture du circuit s'effectuant de fason diffuse) ; celle-ci est de l'ordre du picofarad, par exemple 5 pF. Elle pourra être éventuellement modifée par la position de la résis-tance 16 ou par une capacité additionnelle, soit aug-mentée pour accroitre l'énergie dissipée dans les impulsions de décharge, inhérentes au fonctionnement de celle-ci, soit réduite pour assurer la chute de ten-sion ~ la pointe nécessaire au désamor~age de ladécharge.
Lorsque le générateur 12 se trouve - manuelle-ment ou automatiquement- mis en fonctionnement, la ca-pacité C vient se charger par le courant du gén~rateur traversant la résistance R ; le seuil d'apparitionde l'effet couronne n'étant pas encore atteint, 1'impédance Z peut en effet etre considérée comme quasiment infinie (absence de flux d'air ionis~)~
Lorsque ce seuil est atteint, la capacité C est dé-charg~e brusquement dans l'impédance Z, provoquant unebrève ionisation de l'air au voisinage de la pointe du paratonnerre.
~LZ~57~
On notera que cette ionisation et le courant qu'elle induit dans le paratonnerre sont temporaires, la resistance R étant trop ~levée pour permettre une circulation permanente de courant dans l'imp~dance Z~
comme c'était le cas pour les paratonnerres ionisants de la technique antérieure. Ici, au contraire, le courant permanent qui transiterait par l'imp~dance Z
en l'absence de ph~nomène de relaxation a une valeur négligeable par rapport au courant de décharge de la capacité C.
Une fois la décharge désamorcée, la capacité
17 se recharge ~ travers R, et le cycle recommence de manière p~riodique.
La valeur R de la résistance 16 est avanta-geusement de quelques centaines de mégohms, parexemple de 400 M Q. La capacit~ C est de l'ordre du picofarad/ par exemple de 5 pF.
Dans cet exemple, la constante de temps RC
du circuit est alors de 2.10 3s, ce qui donne une fréquence d'impulsions de 500 Hs environ.
Le potentiel (par rapport à la terre) pro-duit par le g~nérateur 2 est compris entre quelques kilovolts et quelques dizaines de kilovolts, voire même quelques centaines de kilovoltsO Ce gén~rateur est du m8me type que celui utilisé pour un para ton~erre ionisant à r~gime de décharge permanent. 5i7 ~ ¢ ~
PA ~ TONE ~ R ~ WITH IMPULSE CROWN DISCHARGE INTER-. ~
MIT L ENT ~
The present invention relates to a para-thunder ~ crown discharge.
EP-A-0 060 756 describes such a type of para-thunder, which includes a point isolated from the earth, ~
which it is connected to its base by flashing means tors, this point being electrically connected to a fairly high positive DC voltage generator to produce an ionization of the ambient atmosphere at its end (crown discharge).
The ionized air plasma zone thus formed at the end of the point has a conductivity much higher than that of ambient air, so much so that it promotes the discharge of lightning towards the tip, improving efficiency and radius lightning rod action.
However, this increase in conductivity in the vicinity of the point has the effect of reducing local-the electric field and in doing so play a inhibitory role on the development of egrets miners, characteristics of the crown discharge in the case of a tip brought to a positive potential, which can be an element favorable to efficiency lightning rod.
In addition, this device cannot play its role than in the case of negative clouds (lightning strikes negative type), which responds to ~ 90% of cases; -~
~ '~
57 ~
in European countries and even more when traveling outside mountainous regions.
To meet these ob ~ ective, the invention offers a lightning rod such as the crown discharge is not produced continuously, but from intermittently so that when monitoring after a discharge, it no longer exists in quantity notable in the vicinity of the peak loads dual from previous dumps; the potential applied may be of one and / or the other polarity, as required.
To this end, the lightning rod of the invention is characterized in that it includes suitable means ~ periodically lower the tip potential at an insufficient value for the maintenance of the d ~ -charge crown, so ~ produce discharges intermittent and periodic crowns.
In this way, this wave (or this first alternation in the case of a wave train) will produce a current pulse which will extinguish very quickly-since the potential of the tip, which goes down below the threshold, does not allow the maintenance of the dump. This very brief transient phenomenon will set the emission of maximum instantaneous currents and the production of other favorable phenomena ("streamer", electron germs, .... ~ ensuring maximum efficiency lightning rod.
Very advantageously, the frequency of scouring-the frequency of intermittent discharges is at least equal ~ 20 Hz.
It can be seen that, in this case, the ; no egret produced from the polarized tip ~; ~ 45 ~
positively roeprends the same space channel as the n-1e, this ph ~ nomene called "channel memory" going increasing as the frequency increases.
This transient phenomenon has no ~ amment ét ~
studied by G. BERGER in his articles: "Influence o ~
an electrical discharge on the development of a sub-sequent discharge in a positive point-to-plane gap "
(Second International Conference on Gas Discharges, IEE Publication nr. 90, LONDON 1972) and "Influence of a Corona discharge on the subsequent one in atmos-pheric air "IThird International Conference on Gas Discharges, IEE Publication nr. 118, LONDON 1974) and by G. HARTMANN and I. GALLIMBERTI in their article "The influence of metastable molecules on streamer progression "(J.PHYS. D., ~, 1975, P. 670-630).
Also very advantageously ~ the ~ frequency recurrence of intermittent loads is at most equal to 2000 Hz.
We note indeed that, for frequencies ~ a few kHz, the increased efficiency of the lightning rod goes down, getting closer in addition to that of a lightning rod producing a crown load continues.
Preferably, the period during which the ~ 5 tip potential is above the voltage threshold producing the crown effect is at least equal to 1 ~ s and at most equal to 100 ~ s; this range of values allows obtain a crown discharge with a quasi-certi-study, overcoming all fluctuations in parameters which may prevent the appearance of the crown effect.
Preferably, the peak amplitude of the potential of the tip is at least ~ scab ~ 110 ~ of the threshold 57 ~
tension producing the crown effect.
So we’re just above the threshold, increase the transient character of the phe discharge nomene, which favors obtaining maximum instantaneous currents in all cases. (Here and in what follows, we consider that the threshold in question tion is the same regardless of polarity, negative or positive, which corresponds ~ en ~ ralement to the valèurs encountered in practice. If however the thresholds respective, in absolute value differ important, we would make the necessary adjustments.
necessary so that the stated conditions remain fulfilled, without departing from the framework of the pre-invention).
A first possibility consists in ~ connecting electrically the tip to means generating current capable of producing recurrent waves of current, discharged into the atmosphere surrounding the point, so as to produce crown discharges intermittent with the same frequency of recurrence.
Another possibility is to connect electrically the tip to means generating potential, such as applied potential ~ tip by the generating means is a variable potential, in the form of recurrent waves or repeating wave trains currents, and such that, possibly taking into account the natural amplification provided by the field ~ lec-ambient prism existing in case of ora ~ e, the amplitude peak of the wave or of the first half-wave of the train having an opposite polarity ~ that of the atmos-ambient sphere is, in absolute value, greater than tension threshold producing the crown effect.
In this case, the potential applied ~ ~ the tip can be such that whatever the amplification ~ 5 ~
natural cation possibly obtained by the field ambient electric, the peak amplitude of the wave or the first alternation of the train having an oppo- polarlté
that of the ambient atmosphere is always, in absolute value, greater than the production threshold health the crown effect.
In addition, in the case of a wave train, the peak amplitudes of all half-vibrations subsé ~ uentes de m8me polarit ~ que le cloud are, en absolute value, advantageously lower than said threshold.
In a first embodiment, the means generators produce alternating wave trains native damped, and the absolute value of the amplitude peak of the first two half-waves is greater at the voltage threshold producing the crown effect, so as to always produce this effect whatever the polarity of the ambient atmosphere.
In a second embodiment, the means generators produce saw teeth or trains sawtooth without zero crossing, pclarity positive.
In particular, the generating means include in this case carry an RLC or RC type circuit, connected on the one hand ~ the tip and on the other hand to a generator high potential; resistance R can in particular be a resistor interposed between the tip and the generator, and the capacity C 8tre constituted by the parasitic distributed capacity of the lightning conductor between its tip and earth.
Furthermore, the presence of resistance, besides participating in producing variations 571q ~
high voltage periodicals ~ 1 ~ peak of paraton-on the one hand will limit consumption and increase the autonomy of the potential generator, and on the other hand protect it from lightning strikes by deriving the lightning discharge current towards the spark gap, all the more effectively as its value will be higher vee.
Furthermore, (the fact that the potential of the point does not pass by zé: ro (it is enough that it redes-bursts very quickly below the extinction threshold of the phenomenon ~ ne crown), the residual tension will ensure the drainage of the ions after extinction of the discharge;
the operating frequency of the lightning conductor may then be correlatively increased ~ e.
Other features and benefits of the invention will appear on reading the description detailed below, made with reference to the drawings annexed, on which:
. Figure 1 shows the voltage variations and current in the tip, in case it is subject to a potential in the form of wave trains amortized alternatives, . FIG. 2 is a variant of FIG. 1, in the case where ~ natural amplification is used provided by the environment, . Figure 3 illustrates the case in which the potential applied to the tip is a potential in sawtooth shape without zero crossing, . Figures 4 ~ 6 schematically illustrate different circuits to obtain the effects taught by the invention, . Figures 7 and 8 show the diagram ~ lec-~ Z ~ S7 ~ ~
cudgel and a layout of the elements, for an example in which the point is subjected ~ a variable sawtooth potential.
FIG. 1 relates to the embodiment 5 tion in which the tip is subjected to a variable potential in the form of alternating wave trains damped ties.
The corresponding tens: ion and current curves have the following parameters:
- V: tension pre ~ ente on the point in the absence of ambient electric field (this voltage being therefore equal to the potential supplied at the peak by the generator), ~ V1: peak potential taking into account the ampli fication provided by the am-electric field biant existing in the event of a storm; we place ourselves assuming a negative cloud, for example;
cor ~ e we can see, the half-alte ~ nce positive will be amplified, while the half negative alternation will be attenuated, ~ Io: current flowing through the tip (and therefore current discharged into the ambient atmosphere) ab-sence of ambient electric field; we notice that whenever the VO potential of the peak exceeds, in absolute value, the threshold appearance of the crown discharge (here, indi-for example ~ 13 kV), a sudden discharge current, positive or negative depending on the poten-tiel de-la pointe is produced.
I1: current flowing through the tip, taking into account the amplification provided by the electric field ar. ~ m (~ uage n_gatif in this ex ~ le): we see that lapremièreimPUlsion ~ positive, is amplified, 7 ~
while the second pulse, ~ ui was negative, has practically disappeared, since the cr8te value of the first half-wave half-wave gative is now below the threshold Of voltage.
The frequency of the wave trains is understood between 0.5 and 50 ms ~ which corresponds to a ~ r ~ uence of recurrence between 20 and 2000 Hz.
~ 'peak amplitude of the first half positive half-wave and first half-wave negative are chosen so as to be found, in the absence of an ambient electric field, very slightly above the voltage threshold producing the charge, the other half-waves of the wave train having a amplitude always below this threshold. So, we will only get one effective current pulse by wave train, the first negative impulse (in example j being suffocated from that an ambient electric field appears; the point im-bearing being to m ~ swim a duration T sufficient for the '~ atelas "of charges accumulated in the vicinity of the tip can dissipate.
In the figure, the potential V1 of the tip exceeds, during the first half-wave tive, the threshold of appearance of the crown effect for a duration of approximately 5 ~ s, the peak voltage reached being about 15 kV. This very short duration allows to keep ~ the current pulse its character transient which, as indicated above, is an important factor in the performance of the lightning conductor.
Figure 2 illustrates a variant of the figure 1, in laguelle the potential V 'in the absence field strength is weaker than in the pre-~ 2 ~
yield (which is therefore, from a technical point of view, easier to achieve), but remains below the threshold for the appearance of the crown effect. The cr8te value of this potential VO is chosen so that, in presence of the existing ambient electric field in the event storm, the resulting potential V1 exceeds the threshold for the appearance of the crown effect. We will get '/ then a current pulse L1 ~ as in the case prec ~ dent; note that the current Io in the absence of ambient electric field is zero, since the discharge only appears if an ambient electric field is pre-smells.
In Figure 3 the curves of voltage and current in case the generator produces a sawtooth tension, without passing through z ~ ro. The crate value of the sawtooth is chosen ~ a slightly higher value (15 kV for example) at the voltage threshold triggering the crown effect (13 kV in this example) so ~ on ~ produixe, con ~ e previously, brief current pulses.
Figures 4 to 6 illustrate examples of circuits for implementing the invention.
In all three cases, provision is made lightning conductor 1, isolated from the earth and connected to the latter by spark gap means 2, which can be purely static means (two metal elements-li ~ ues separated by an air gap), or dynamic, functioning as a controlled switch.
- This point is connected ~ general means high voltage rators 3 downstream of an oscil-reader 4 powered by an energy source 5.
~ L2 ~
In the case of FIG. 4, the oscillator 4 is u ~ classic type oscillator, creating signals of the frequency of recurrence sought, and the high tens generator: ion 3 is a transformer of the pulse transformer type. The device feed S draws its energy advantageously in the ambient lectical field, which gives the device a complete autonomy. We collect and transforms for that the current which one obtains during-that we plunge a relatively long point into a very large and rapidly increasing electric field which is the case of the ambient electric field exls-both during a thunderstorm.
In the case of FIG. 5, the device power supply 5 is a solar panel charging a battery 6, which selectively powers the oscillator 4 via a thunderstorm detector 7 em-fishing for continuous operation of the system outside risk periods.
~ 0 Figure 6 corresponds to the embodiment in which a sawtooth tension is produced (voltage and current curves in Figure 3): the structure ture is identical to that of the device in figure 5, the pulse transformer 3 being replaced by a set consisting of a high voltage transformer and a rectifier 3a to reproduce a constant voltage tinue lou, at least, straightened) feeding a RC circuit 3b producing the saw teeth applied ~ the tip of the lightning rod.
A particular realization of the device of figure 6 is illustrated figure 7 ~ diagram equiva-slow) and 8 (arrangement of elements), this r ~ alisa-tion ~ so remarkable in that we use the capacit ~ r ~ part of the lightning rod between its tip and ~ Z ~ 57 ~ L ~
the earth as a constituent element of the RC clrcuit.
More precisely, the lightning rod represents sent ~ includes a known manner, a tapered tip conductor 11 and a DC generator 12. The latter is connected ~ electrically on the one hand ~
earth T, on the other hand ~ point 11 by a cable conductor 13. Conductor 13 is the soul of a cable coaxial with shielding, i.e. the outer sheath conductor 14, is electrically connected by a goes directly to earth T, on the other hand, via a spark gap 15, at tip 11. The tip and spark gap are for example of the type described in EP-A-0.060.756 cited above.
In accordance with the invention, the lightning rod is equipped with a value resistor ~ raised, designated ~ e by 16, interposed on the conductor 13 between the general rator l2 and the tip 11 with which it is placed.
The equivalent circuit represented ~ ~ the figure 7 includes the protective spark gap A, the circuit charge B and discharge circuit C.
First, the tip 11 is connected to the potential generator 12 by resistor 16 of R value; ~ from a certain voltage present at the tip, corresponding to the appearance of the effect crown, this circuit will close towards the ground by the equivalent impedance Z of the ambient atmosphere.
The current then flowing in this corresponding mesh-lays the current created in the vicinity of the point.
Capacity in parallel with the generator present ~ e by the coaxial cable 13, 14 is around 50 ~ 100 pF per meter of cable ~ and does little in the electrical operation of the device, in steady state.
~ s ~
The spark gap 15 is equivalent to a condensate tor in parallel ~ with variable resistance and inductor connected in series. This branch has been represented felt in broken lines, for the record, because its function is exercised only at the time of the thunderbolt whereas on the contrary the arrangement which is the subject of the invention occurs before love at first sight, to promote the channeling of the lightning towards the lightning rod and increase the reach tion of it with maximum ef ~ iciency.
Finally, reference 17 designates the capacity parasite existing between the tip and the mass (this mass is actually distributed, closing the circuit diffuse); this one is from the order of picofarad, for example 5 pF. It could be possibly modified by the position of the resistance tance 16 or by additional capacity, ie increased to increase the energy dissipated in the discharge pulses, inherent in operation of it, be reduced to ensure the fall of tension sion ~ the tip necessary to defuse ~ age of the discharge.
When generator 12 is - manual -automatically or automatically, the capacity C comes to charge by the current of the generator crossing resistance R; the threshold for the appearance of the crown effect not yet being reached, Impedance Z can indeed be considered as almost infinite (absence of ionized air flow ~) ~
When this threshold is reached, the capacity C is de-abruptly charged in the impedance Z, causing a brief ionization of the air in the vicinity of the tip lightning rod.
~ LZ ~ 57 ~
Note that this ionization and the current that it induces in the lightning rod are temporary, the resistance R being too high to allow a permanent current flow in imp ~ dance Z ~
as was the case with ionizing lightning conductors of the prior art. Here, on the contrary, the permanent current which would pass through the imp ~ dance Z
in the absence of relaxation ph ~ nomene has a value negligible compared to the discharge current of the capacity C.
Once the landfill is defused, the capacity 17 is recharged through R, and the cycle starts again from periodic way.
The R value of resistor 16 is before-a few hundred megahms, for example 400 M Q. The capacitance ~ C is of the order of picofarad / for example 5 pF.
In this example, the time constant RC
of the circuit is then 2.10 3s, which gives a pulse frequency of around 500 Hs.
The potential (relative to the earth) pro-produced by the generator 2 is between a few kilovolts and a few tens of kilovolts, even even a few hundred kilovoltsO This generator is of the same type as that used for a para your ~ ionizing wand at a permanent discharge rate.